冶炼硅铁工艺设计要点.docx
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冶炼硅铁工艺设计要点
攀枝花学院
学生课程设计〔论文〕
题目：
冶炼硅铁工艺设计
学生姓名：
邱江学号：
202111103052
所在院（系）：
材料工程学院
专业：
冶金专业
班级：
08冶金有色班
指导教师：
苟淑云职称：
教授
2021年6月6日
攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题目冶炼硅铁工艺设计
1、课程设计的目的
使学生融会贯穿相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问
题的能力，从而加深对所学理论知识的理解、掌握与应用。
本课题是为了使学生了解硅铁的
生产原理、主要原料及工艺。
2、课程设计的内容和要求〔包括原始数据、技术要求、工作要求等〕
1〕生产硅铁的根本工艺和主要工艺参数；预计所需的主要原材料种类及数量，主要产品
成分等。
可以与进行物料平衡和热平衡计算的同学一起商定有关参数。
2〕提交3000～5000字的设计说明书，在说明书中须按标准注明设计的依据及主要参考
文献；
3、主要参考文献
李春德.?
铁合金冶金学?
.冶金工业出版社.
刘卫.?
铁合金生产?
.冶金工业出版社.
袁熙志.?
冶金工艺工程设计?
.冶金工业出版社.
张承武.?
炼钢学?
〔下册〕.冶金工业出版社.
4、课程设计工作进度方案
第十六周：
对选定题目进行分析，查阅相关文献资料，做好原始记录，确定相关参数。
第十七周：
撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，进行课程设计辩论，提交设计说明书。
指导教师〔签字〕日期年月日
教研室意见：
年月日
学生〔签字〕：
接受任务时间：
年月日
注：
任务书由指导教师填写。
课程设计〔论文〕指导教师成绩评定表
题目名称
评分工程
工
01
学习态度
作
表
02
科学实践、调研
现
03
课题工作量
20%
04综合运用知识的能力
能05应用文献的能力
力
设计〔实验〕能力，方案
水
06
的设计能力
平
35%
07
计算及计算机应用能力
对计算或实验结果的分析
能力〔综合分析能力、技术经济分析能力〕
插图〔或图纸〕质量、篇
成09幅、设计〔论文〕标准化
果
程度
质
10
设计说明书〔论文〕质量
量
45%
11
创新
成绩
指
导
教
师
评
语
冶炼硅铁工艺设计
分
得
值
评价内涵
分
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学
工作态度。
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠
道获取与课程设计有关的材料。
7
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，
能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并
5
较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种
信息及获取新知识的能力。
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、
5
操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清
晰、完整。
具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机
5
进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
符合本专业相关标准或规定要求；标准化符合本
5
文件第五条要求。
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，
结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
对前人工作有改良或突破，或有独特见解。
指导教师签名：
年月日
攀枝花学院本科课程设计〔论文〕
前言
硅铁简介
铁合金是指一种或几种以上的金属或非金属元素于铁组合成的合金，硅铁即是硅与铁的合金。
硅铁是炼钢和铸造的重要原料，它能改善钢和铸件的
【1】
物理化学性能和机械性能，提高钢和铸件的质量。
硅铁的冶炼简介
硅铁是以焦炭、钢屑、石英〔或硅石〕为原料，用电炉冶炼制成的。
传统
炼制硅铁时，是将硅从含有2的硅石中复原出来。
冶炼硅铁大多使用冶金焦作复原剂，钢屑是硅铁的调节剂。
原料
原料及其要求
含硅原料及其要求
含原料一般采用SiO2含量很高的石英和石英岩〔通称为硅石〕。
表1为各种硅石的质量和物理性能。
用于冶炼硅铁的硅石必须符合以下各项要求：
（1）SiO2含量大于97%
（2）有害杂质含量低。
硅石中主要杂质Fe2O3外，其他氧化物均是有害物质，其中
Al2O3，MgO,CaO,P2O5和P2O5必须小于1%，CaO和
Fe2O3。
除MgO之和
也应小于
1.
有良好的抗爆性。
有一定的粒度。
硅石的粒度根据电炉的容量、工作电压、硅石个所用
复原剂的性质以及操作水平确定，一般大型电炉的硅石入炉粒度为40～120mm，小型电炉为25～80mm。
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表1各种硅石质量的物理性能
炭质复原剂及其要求
铁合金生产中，用的最多、最广且价格最最廉价的复原剂是炭质复原剂。
硅铁生产所用的炭质复原剂主要为冶金焦，其主要理化性能指标要求如下表
1.
此外，对冶金焦的灰分组成也有一定要求，具体为FeO约
27%，SiO2约25%，MgO约1.0%，Al2O3<0.4%,P2O5<0.04%。
45%，CaO约
为了增大炉料的比电阻，增加化学活性，也有搭配使用气煤焦
[2]
。
含铁原料及其要求
电炉冶炼硅铁时，一般采用钢屑作含铁原料，钢屑在SiO2复原过程中有促进作用。
冶炼时，希望钢屑能较快融化，以便吸收硅或有效地破坏SiC。
为此，要求钢屑长度不能超过100mm，为保证硅铁的化学成分和内在质量，
不允许使用合金钢钢屑、有色金属屑和生铁屑，而只能使用碳素钢钢屑。
钢屑不应夹带杂质，生铁严重和沾有油污的钢屑不能入炉，铁屑的寒铁量应大
于95%。
表
2
冶炼硅铁用冶金焦的理化性能指标
固定碳
灰分
挥发分
水分
硫电阻率（1100
0C）
气孔率
粒
%%
%
%%
%
%%
>82
<14
<3
<6
1200
30
～54
3
～20
冶炼设备
变压器与断网
炉用变压器将从电网获取的高压电、小电流转换成符合冶炼的低电压、
大电流,经短网、铜瓦送到电极后,转化为炉内所需热能。
短网的阻抗对节电和有效利用电能影响很大。
短网的合理布置及结构,对提高功率因数和电效率,降低电能损失有重要意义。
短网应尽量降低各导电部位的长度和通电后的
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温度,温度越高导体电阻越大,新的电炉设计逐步趋于用通水导电铜管替代铜排。
电极把持器系统
电级把持器是炉内最重要的部件之一,它与电极压放、升降装置及铜瓦等
一起保证电炉的送电、负荷调整、电极下放等。
由于该设备的烟罩内,全部构
件包括液压、水路、绝缘等都处在高温区,承受高温幅射气流的冲刷,工环
境极为恶劣,特别是“刺火〞时,受到更高温度气流的冲刷。
烟罩
在生产时,冶炼工艺要求电极极心圆在炉料作用下仍能保持稳定的尺寸。
现设计的矮烟罩,较过去的高烟罩不仅有利于烟气回收,而且对固定电极柱,稳定极心圆直径也很有作用。
目前多采用水冷钢骨架,内顶部和侧面焊有Y型
铆钉,喷涂耐热高温混凝土或耐火材料,其使用寿命长、维修量小。
炉体设备
炉体包括炉壳和炉衬。
炉衬要承受高温电弧和电流的冲刷及炉渣侵蚀。
直接与电弧和铁水接触的炭砖最易氧化,因此炉壳不仅有足够的强度,而且必须非常严密。
液压系统
液压控制和驱动是电炉实现自动控制的重要保证。
新设计的系统采用箱体阀块集成化的模式,大大简化管路布置
整个结构紧凑,便于安装检修。
阀件工作面和接头经过特殊处理,耐磨无泄
漏,工作十分可靠,为工艺操作提供了保证[3]。
硅铁生产工艺流程
硅铁冶炼根本原理
用碳复原二氧化硅是冶炼硅铁时的根本反响。
生产上为了把氧从二氧化
硅中除去，在矿热炉内创造高温条件，以焦炭中的碳夺取硅石（SiO）
生成的CO气体通过料层从路口逸出，硅石中的硅便复原出来。
冶炼硅铁时，炉内的反响机理可用图1描述
中的氧，
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图1硅铁冶炼反响机理
冶炼机理
冶炼硅铁总的反响方程式为
实际上硅铁反响机理是非常复杂的，尽管研究者们提出来的复原机理不完全相同，但有几点公认是无疑的，即在冶炼过程中有中间产物碳化硅和一氧化硅产生，而且在碳化硅和一氧化硅的生成与分解在二氧化硅的整个复原过程中起着重要作用。
在较低温度下，二氧化硅与碳作用：
在较高温度下，二氧化硅被复原成一氧化硅：
而且碳化硅在高温下因二氧化硅和一氧化硅的存在而被破坏：
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铁存在时对SiO2的复原过程有很大的影响，把铁反响出来的硅溶解，使硅脱离反响区，还加速了Si反响的进行，同时铁与硅生成稳定的化合物硅化铁（SiFe）,并放出一定的热量，使二氧化硅的复原温度降低。
另外中间化合物
碳化硅被铁破坏（Fe+SiC=SiF+CG0T开=1083K），结果使硅的
生成容易些[4]。
从以上的分析中可以看出，生产中控制复原剂的参加量是很重要的。
还
原剂过多，会使SiC生成量增加，使炉底积存的碳化硅越来越多。
反响复原
剂过少，SiO2不能充分地复原，价低了硅的回收率[5]。
合金成分的控制
合金含硅量越高，要求复原温度就越高，对原料质量性能和炉况操作维护要求更高，由于硅石质量性能较差，难以保持较高的炉温，复原反响速度与炉料融化速度不匹配而恶化炉况。
为了加快复原反响速度，增加配铁量降
低硅的复原温度，因此合金含硅量按75%硅铁国际下限控制，即按72≤[Si]≤74%范围操控。
冶炼操作
为了减少炉况波动，统一操作，坚持混合料参加，维护电极稳定，加强炉料均匀透气，保持较大坩埚，防止生料进入坩埚内造成三相负荷不平衡，热量分布不均，降低反响速度。
在配电操作中，须密切关注炉况。
正常情况下，电极电流几乎全部进入
坩埚区，支路电流占很小比例，因此在配电时必须关注三相电极电流和对地
电压的平衡，通过观察电极周围火焰和沉料情况判断该相电极放弧做功好坏，
假设对放弧做功差的某项电极急于下插来增大做功，这样只会增加支路电流，
增加热损失，而对进入坩埚坩埚区得功率增加很有限，应准确分析原因，如
电极结渣或大量生料进入坩埚区，及时与电炉操作工联系加以处理。
保持三
个坩埚稳定良好的放弧做功状态，保持较高的反响区温度，到达稳定良好的炉况[6]。
5
6
7
8硅铁生产中杂质元素的控制
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铝的控制方法
精料入炉
复原剂采用低灰分（≤10%）的蓝炭。
在转炼的头一个班就全部使用蓝炭,减少灰分中Al2O3的带入量。
炉外精炼
按要求的铝含量
CaO一CaF一Fe0
出铁后,按一定比例参加氧化性四元渣即系低熔点四元渣,并加顶吹氧进行炉外精炼
:
SiO2一
吹氧压力
≤5kg
为宜。
中频炉生产
（重熔法
）
由于在炉外顶吹精炼吹氧时,在没加装中间包及更先进精炼设备时,铁
水温度损失大,铁损多,生产更低铝含量的硅铁就较为困难,所以该公司就
采用中频炉进行生产:
在保证温度的前提下,进行二次精炼,进行更进一步
的脱铝操作,能使合金中Al≤0.1%。
钙的控制方法
入炉硅石需洗选干净,尽可能地把混人硅石中的杂石、风化石挑选干净,减少其带入量
（2）由于各元素和氧的亲和力强弱顺序为:
C、Ca、Al、Si、Fe,硅铁中
杂Ca、Al对氧的亲和力大于Si、Fe,所以硅铁中杂质Ca、Al会优先于Si
和Fe氧化生成CaO和A12O3。
所以在必要的情况下可采用吹压缩空气或氧气进行脱钙处理。
一般硅铁生产过程中,只要能把混入硅石中的杂石、风化石挑选干净,
合金中含钙量就能控制在%以下,如客户需要更低钙含量的硅铁,就可
采用炉外精炼（吹氧和压缩空气）的方法进行处理。
碳的控制方法
控制浇铸温度
当有限的,在液态合金中碳的溶解度随着温度升高而增加,所以浇铸温度的控制对合
金中碳的含量有直接关系。
资料说明,浇铸温度低于1550℃,可使碳化物
尽可能
多地析出。
常用的降温方法有镇静、倒包和摇包处理等。
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合理控制用碳量
在硅铁生产过程中
SiC
的生成和分解是一个重要的因素。
当炉子上部
温度大于
1500℃时那么发生以
F反响:
4C+2SiO=2SiC+2CO↑
而炉子下部温度大于
1800℃时,那么发生SiC分解反响,即:
3SiO2+2SiC二Si+4SiO+2CO↑
所以在生产过程中控制复原剂的加人量很重要
复原剂过多,会使SiC生成
量增加,
从而造成合金中碳含量增加。
为此在生产中复原剂的参加量一定要
适宜。
炉外精炼
吹氧降碳
由于碳极易与氧结合,吹氧几乎能使全部游离的碳迅速与氧结合并析出
硅液。
在吹氧过程中,不但加强氧与游离碳的迅速结合,也加强了合金的搅
拌,改善了碳化物的析出条件,使碳人物能迅速析出液面。
重熔降碳
碳化硅与硅铁密度相差较小（SiC:
3、3）,弥散在合金中的碳化硅析出速度较慢,有相当一局部聚集在晶界。
重熔合金时这一
局部碳化硅进一步聚集,使颗粒变大,从而使SiC的上浮条件更为有利,合
金中碳含量得到进一步降低。
此方法在该公司中频炉上得到验证,能使硅铁
合金中碳含量降到0.03%以下。
（3）防止外来污染
在硅铁镇静过程中,采用锯未、蔗渣及干稻草进行保温
[7]
严禁使用石墨粉涂刷铁水包和锭模内壁,防止合金增碳
。
禁止使用焦粉
硅铁牌号及用途
硅铁牌号和化学成分
硅铁按硅及其杂质含量，分为十六个牌号，其化学成分如表3：
〔根据GB2277-87〕
表3
硅铁牌号和化学成分
牌号
化学成分%
Si
Al
Ca
Mn
CR
P
S
C
范围
不大于
FeSi90Al3
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FeSi75
FeSi75
FeSi75
FeSi75
-
FeSi75-A
-
-
FeSi75-B
-
-
FeSi75-C
-
-
FeSi65
-
-
-
FeSi45
-
-
-
硅铁的用途
硅和氧很容易化合成二氧化硅。
所以硅铁常用于炼钢作脱氧剂，同时由于SiO2生成时放出大量的热，在脱氧同时，对提高钢水温度也是有利的。
硅铁作为合金元素参加剂。
广泛用于低合金结构钢、合结钢、弹簧钢、轴承钢、
耐热钢及电工硅钢之中，以外硅铁在铁合金生产及化学工业中，常用作复原剂。
含硅量达95%--99%。
纯硅常用制造单晶硅或配制有色金属合金。
硅铁在钢工业、铸造工业及其他工业生产中被广泛应用。
硅铁是炼钢工业中必不可少的脱氧剂。
炬钢中，硅铁用于沉淀脱氧和扩散脱氧。
砖坯铁还
作为合金剂用于炼钢中。
钢中添加一定数量的硅，能显著提高钢的强度、硬
度和弹性，提高钢的磁导率，降低变压器钢的磁滞损耗。
一般钢中含硅0.15%-0.35%，结构钢中含硅0.40%～1.75%，工具钢中含硅0.30%～1.80%，弹簧钢中含硅0.40%～2.80%，不锈耐酸钢中含硅3.40%～4.00%，耐热钢中含
硅1.00%～3.00%，硅钢中含硅2%～3%或更高。
高硅硅铁或硅质合金在铁合金工业中用作生产低碳铁合金的复原剂。
硅铁参加铸铁中可作球墨铸铁的孕育剂，且能阻止碳化物形成，促进石墨的析出和球化，改善铸铁性能。
硅铁粉在选矿工业中可作悬浮相使用，在焊条制造业中作焊条的涂料；高硅硅铁在电气工业中可用制备半导体纯硅，在化学工业中可用于制造硅酮
等。
（5）在炼钢工业中，每生产一吨钢大约消耗3～5kg75%硅铁。
7
8
9
10结论
攀枝花学院本科课程设计〔论文〕
硅铁产品作为钢铁和金属镁等工业的重要原材料，在国民经济建设中发
挥着重要作用。
炼钢工业、铸造工业和铁合金是硅铁的最大用户，他们共消
耗90%以上的硅铁，在钢铁中，硅铁用作脱氧剂和合金剂，在铸铁工业中用于孕育剂和球化剂，在铁合金生产中用作复原剂。
硅铁产品的冶炼工艺决定
了需要消耗大量的电能，每生产1吨硅铁耗电大约在8500-9000kWh之间，
电耗所占本钱的比重为70%左右。
因此，为了提高我国硅铁的国内外市场竞
争力，在硅铁生产过程中，要不断探索和总结冶炼工艺技术，通过技术改造、工艺创新、精料入炉、精心操作等手段，不断降低能源消耗，特别是电力消
耗，从而到达降低生产本钱的目的，以提升我国硅铁的国际竞争力。
攀枝花学院本科课程设计〔论文〕
参考文献
曹忠萍.硅铁合金生产工艺.江西：
新余钢铁有限责任公司
李春德.铁合金冶金学[M].北京：
冶金工业出版社，2006.
陈树太.前述硅铁生产设备与工艺的关系[A].永登：
腾达西北铁合金有限责任公司.2005（6）
赵乃成，张启轩.铁合金生产实用技术手册[M].北京：
冶金工业出版社，2003.
浩军，尹祖平.提高硅产品质量和降低电电耗的途径[B].包头：
包钢（集团）公司设计研究院.包头：
稀土研究院.〔35〕
[1]向天虎，陆雪生.硅铁生产节能工艺措施[B].重庆：
鑫腾冶金炉料有限责任公司.2004（6）
[2]陈琪，郑毅等.硅铁生产中的杂质元素的控制[B].德昌：
德昌铁合金〔集团〕有限责任公司.2006（5）
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